DE112011100330T5

DE112011100330T5 - Induktiver Positionssensor

Info

Publication number: DE112011100330T5
Application number: DE112011100330T
Authority: DE
Inventors: Lingmin Shao; Joong K. Lee; Ryan W. Elliott
Original assignee: KSR Technologies Co
Current assignee: KSR Technologies Co
Priority date: 2010-01-25
Filing date: 2011-01-25
Publication date: 2013-01-31
Also published as: WO2011089519A4; BR112012018401A2; US8508242B2; US20110181302A1; KR20170127042A; CN102822634A; CN102822634B; JP2013518247A; KR20120123100A; WO2011089519A1; KR102045783B1

Abstract

Ein Drehpositionssensor aufweisend eine Sendespule, welche durch eine Hochfrequenzstromquelle energetisiert wird. Eine erste Empfängerspule enthält eine gerade Anzahl N an Schleifen, wobei benachbarte Schleifen der ersten Empfängerspule entgegengesetzt gewunden sind. Eine zweite Empfängerspule enthält ebenfalls N Schleifen, wobei benachbarte Schleifen entgegengesetzt gewunden sind. Weiterhin ist die zweite Empfängerspule winklig versetzt zu der ersten Empfängerspule durch 180/N°. Ein nicht kreisförmiger Kuppler konstruiert aus einem elektrisch leitfähigen Material ist drehbar befestigt relativ zu den Spulen, so dass das Koppelelement zumindest einen Teil der ersten und der zweiten Empfängerspule überdeckt. Ein Schaltkreis verarbeitet die Ausgangssignale von der ersten und zweiten Empfängerspule und generiert ein Ausgangssignal repräsentativ zu der Drehposition des Kopplers.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
Die Anmeldung beansprucht die Priorität der US Provisional Patentanmeldung Seriennummer 61/297,841, angemeldet am 25. Januar 2010, welche hierin durch Bezugnahme mit aufgenommen ist.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
I. GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft generell Drehwinkelsensoren.
II. STAND DER TECHNIK
In Kraftfahrzeugen ist das Gaspedal traditionell mechanisch verbunden zu der Motordrossel durch ein Kabel. In eher moderneren Fahrzeugen jedenfalls ist ein Drosselklappenpositionssensor mechanisch verbunden zu dem Pedal und erzeugt ein elektrisches Signal, welches indikativ für den Grad des Niederdrückens des Gaspedals ist. Solche Systeme werden manchmal bezeichnet als ”Fly-by-wire-Systeme”.
Bei einer Art an vorbekannten Drosselpositionssensoren enthält der Sensor eine Sende- oder Erregerspule, die von einer Hochfrequenzquelle angeregt wird und eine elektromagnetische Strahlung auf der Frequenz der Hochfrequenzquelle generiert. Außerdem ist diese Sendespule üblicherweise in einem kreisförmigen Muster angeordnet, obwohl andere Musterkonfigurationen alternativ genutzt werden können.
Eine Empfängerspule ist auch in dem Drosselpositionssensor angeordnet, benachbart zu der Sendespule. Folglich zeigt die Empfängerspule ein Empfängersignal, wenn die Sendespule angeregt ist durch eine induktive Kopplung zwischen der Empfänger und der Sendespule.
Im Gegensatz allerdings zu der Sendespule enthält die Empfängerspule zumindest eine erste und eine zweite Schleife, die in der Draufsicht entgegengesetzt zueinander gewickelt sind. Folglich erzeugt die induktive Kopplung zwischen der Sendespule und der ersten Schleife der Empfängerspule eine Spannung, welche in der Polarität umgekehrt zu der induktiven Kopplung zwischen der Sendespule und der zweiten Schleife der Empfängerspule ist. Die Schleifen der Empfängerspule sind in Serie verbunden, so dass das Empfängerausgangsignal eine Kombination oder Summe der Signale von der ersten und der zweiten Schleife der Empfängerspule ist.
Um ein Ausgangssignal zu generieren, welches repräsentativ zu der Position der Drossel ist, ist ein Koppelelement drehbar befestigt in dem Drosselpositionssensor, so dass das Koppelelement synchron mit dem Niederdrücken und Lösen des Gaspedals rotiert. Weiterhin überdeckt dieses Koppelelement einen Teil von beiden, der Sende- und der Empfängerspule. Das Koppelelement ist aus einem leitfähigem Material konstruiert, welches einen magnetischen Fluss durch die Erzeugung von Wirbelströmen im Koppelelement aufhebt. Folglich wird bei Drehung des Kopplers die induktive Kopplung zwischen der Sende- und der ersten und der zweiten Schleife der Empfängerspule variiert, wodurch eine Ausgangsspannung durch die Gesamtempfängerspule produziert wird, die indikativ für die Winkelposition des Kopplers und dadurch für die Position des Gaspedals ist.
Unter der Annahme, dass das Koppelelement präzise konzentrisch mit der Sende- und der Empfängerspule ist, und dass der Raum zwischen dem Koppelelement und der Sende- und Empfängerspule während der gesamten Bewegung des Koppelelementes konstant bleibt, stellt der Ausgang der Empfängerspule eine präzise Indikation der Winkelposition des Koppelelementes und dadurch die Position des Gaspedals zur Verfügung. In der Praxis jedoch erzeugen Herstellungstoleranzen während der Herstellung des Drosselpositionssensors öfters einen Drosselpositionssensor, bei welchem das Koppelelement nicht konzentrisch präzise mit der Sende- und der Empfängerspule ist und/oder das Koppelelement hält nicht einen gleichmäßigen Abstand zwischen dem Koppelelement und der Sende- und der Empfängerspule während der gesamten Schwenk- oder Drehbewegung des Koppelelementes. Jeglicher Mangel an Konzentrizität des Koppelelementes mit den Sende- und Empfängerspulen wie auch eine Variation des Raumes zwischen dem Koppelelement und den Empfängerspulen während Drehung oder Schwenkung des Koppelementes wird die induktive Kopplung zwischen der Sendespule und der ersten und der zweiten Schleife der Empfängerspule variieren, welche ein Auslasssignal von der Empfängerspule zur Verfügung stellt, welches sich konträr von dem eines Drosselpositionssensors mit einem präzise positioniertem Koppelelement an der gleichen Winkelposition unterscheidet.
ZUSAMMENFASSUNG DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt einen Drosselpositionssensor zur Verfügung, welcher die oben beschriebene Problematiken der vorbekannten Drosselpositionssensoren überwindet.
In Kürze zusammengefasst enthält der Drosselpositionssensor gemäß der vorliegenden Erfindung eine Sendespule, welche bevorzugt in einer kreisförmigen Konfiguration gewunden ist, aufweisend eine Mehrzahl an Schleifen. Die Empfängerspule ist durch eine Hochfrequenzwechselstromquelle angeregt, so dass, wenn energetisiert, die Sendespule elektromagnetische Strahlung generiert. Die Sendespule ist weiterhin typischerweise auf einer Leiterplatine aufgedruckt.
Eine erste Empfängerspule ist ebenfalls auf der Leiterplatte benachbart zu der Sendespule aufgedruckt. Die Empfängerspule enthält zumindest zwei und bevorzugt 4 oder mehr abgrenzbare Spulenbereiche, die in Serie miteinander elektrisch gekoppelt sind. Für eine Vierbereichsspulensektion würde die Empfängerspule vier abgrenzbare Schleifen enthalten, wobei die alternierenden Schleifen jeweils 90° eines Kreises belegen und wobei alternierende Schleifen entgegengesetzt zueinander gewickelt sind. Jedoch sind alle diese Schleifen elektrisch in Serie miteinander verbunden, so dass der gesamtelektrische Ausgang von der Empfängerspule aus der Summe der induzierten Spannung in allen Schleifen der Empfängerspule besteht. Folglich würde, sofern die alternierenden Schleifen entgegengesetzt zueinander gewunden wären und eine identische induktive Kopplung zwischen der Sendespule und jeder der vier Schleifen unterstellt würde, der Ausgang der Empfängerspule Null sein.
Eine zweite Empfängerspule ist ebenfalls auf der Leiterplattine geformt, welche in der Form mit der ersten Empfängerspule identisch ist, aber um 45° oder 180°/N gedreht, wobei N gleich der Anzahl der Schleifen in der Empfängerspule ist.
Wie bei den vorbekannten Drosselpositionssensoren ist ein Koppelelement bewegbar positioniert relativ zu beiden, der Sender- und zu beiden Empfängerspulen. Das Koppelelement variiert die induktive Kopplung zwischen der Senderspule und den beiden ersten und zweiten Empfängerspulen als Funktion der Winkelposition des Koppelelementes. Da das Koppelelement mechanisch an das Gaspedal gekoppelt ist, korrespondiert die Drehposition des Koppelelementes direkt zu der Position des Gaspedals.
Des Weiteren ist das Koppelelement so konfiguriert, dass eine Drehbewegung des Koppelelementes eine induzierte Spannung auf der ersten Empfängerspule hervorrufen wird, um als eine Sinusfunktion zu variieren. Jedoch, da die zweite Empfängerspule effektiv um 90° relativ zu der ersten Empfängerspule gedreht ist, variiert der elektrische Ausgang produziert auf der zweiten Empfängerspule während der Rotation des Koppelelementes als eine Kosinusfunktion. Folglich kann die Winkelposition des Koppelelementes und daher die aktuelle Position des Gaspedals genau bestimmt werden durch Lösen der Arcus-Tangensfunktion des Sinus- und Kosinus-Ausgangsignals von jeweils der ersten und zweiten Empfängerspule.
Ein Hauptvorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass die gemessenen Winkel von beiden der ersten und zweiten Empfängerspule unempfindlich gegenüber Schwankungen des Drosselpositionssensors ist, wie ein Luftspalt zwischen dem Koppelelement und der Empfängerspulen, einer Temperatur und dergleichen, da beide, das Sinus- und das Kosinus-Signal von jeweils der ersten und der zweiten Empfängerspule um den gleichen Faktor skaliert werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung wird ermöglicht durch Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung, wenn diese in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen gelesen wird, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleiche Teile in verschiedenen Ansichten verweisen, und wobei:
1 eine Explosionsdarstellung in schematischer Ansicht ist, die ein bevorzugtes Beispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
2A und 2B Draufsichten sind, die eine erste und zweite Empfängerspule illustrieren;
3 eine Ansicht ist, die alternierende Formen für das Koppelement illustriert; und
4A und 4B Ansichten ähnlich zu den 2A und 2B sind, die jedoch Modifikationen davon zeigen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSGESTALTUNG DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
Mit der Bezugnahme zuerst auf 1 wird ein Drosselpositionssensor 10 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung in einer Explosionsdarstellung dargestellt. Der Drosselpositionssensor enthält eine Sendespule 12, welche bevorzugt eine Vielzahl an kreisförmigen Schleifen eines konduktiven Materials aufweist, welche an einer Hochfrequenzwechselstromquelle 14 angekoppelt sind. Die Sendespule 12 ist bevorzugt auf einer Leiterplatine aufgedruckt, so dass, wenn energetisiert durch die Hochfrequenzwechselstromquelle 14, die Sendespule 12 ein hochfrequentes elektromagnetisches Feld generiert.
Unter Bezugnahme nun von 1, 2A und B, der Drosselpositionssensor enthält auch eine erste Empfängerspule 16 wie auch eine zweite Empfängerspule 18. Die erste und zweite Empfängerspule 16 und 18 sind weiterhin auch auf der Leiterplatine aufgedruckt und generell mit der Sendespule 12 ausgerichtet.
Wie am besten in 2A dargestellt enthält die erste Empfängerspule 16 vier separate Schleifen 20, 22, 24 und 26. Jede Schleife 20–26 beansprucht 90° des Gesamtkreises der ersten Empfängerspule 16. Benachbarte Schleifen 20–26 werden jedoch entgegengesetzt zueinander gewickelt.
Angenommen zum Beispiel, dass die Schleife 20 der ersten Empfängerspule 16 in eine Richtung im Uhrzeigersinn in einer Draufsicht gewunden ist, ist die Schleife 22 in einer Richtung entgegen des Uhrzeigersinns gewunden, die Schleife 24 ist in einer Richtung im Uhrzeigersinn gewunden, und die Schleife 26 ist in einer Richtung im Gegensatz zum Uhrzeigersinn gewunden. Jede Schleife 20–26 jedoch ist in Serie mit jeder anderen verbunden, so dass ein einzelner Zwei-Drahtausgang 28 von der Empfängerspule 16 zur Verfügung gestellt ist.
Da die benachbarten Schleifen 20–26 in der Empfängerspule 16 in entgegensetzte Richtungen gewunden sind, wird die induzierte Spannung auf diesen Schleifen 20 bis 26 bei Energetisierung der Sendespule in opponierender Spannung sein. Dadurch würde, wenn die induktive Kopplung zwischen der Sendespule 12 und allen vier Schleifen 20–26 identisch ist die Spannung an den Ausgängen 28 der ersten Empfängerspule 16 Null sein.
Die zweite Empfängerspule 18 ist im Wesentlichen identisch zu der ersten Empfängerspule 16, mit Ausnahme, dass die zweite Empfängerspule 18 um 45° oder 180°/N gedreht ist, wobei N gleich der Anzahl der Schleifen 20–26 ist. All diese Schleifen 20–26 der zweiten Empfängerspule 16 sind wie die erste Empfängerspule 16 elektrisch in Serie mit jeder untereinander verbunden, so dass die Ausgangsspannung an dem Ausgang 30 von der zweiten Empfängerspule gleich der Summe der induzierten Spannung an allen vier Schleifen 20–26 der zweiten Empfängerspule 18 ist.
Wie bei den vorbekannten Drosselpositionssensoren ist ein Koppelelement 32 [1] konzentrisch zu beiden Empfängerspulen 16 und 18 und Sendespule 12. Das Koppelelement 32 ist weiterhin aus einem leitfähigen Material so konstruiert, dass eine Energetisierung der Sendespule 12 Wirbelströme innerhalb des Koppelelementes 32 erzeugt und auf diese Weise die induktive Kopplung zwischen der Sendespule 12 in den zwei Empfängerspulen 16 und 18 hervorruft. Wie in 3 dargestellt, verändert sich die aktuelle Form des Koppelelementes 32 in Abhängigkeit von der Anzahl der Schleifen in den Empfängerspulen.
Zum Beispiel kann das Koppelelement 32 eine generell dreieckige Form wie bei 60, 61 und 62 in 3 gezeigt haben. Solch ein generell dreieckförmiges Koppelelement 60–62 würde zum Beispiel genutzt werden, wenn beide, die erste und zweite Empfängerspule, drei Schleifen hätten.
Alternativ könnte das Koppelelement 32 eine generell ovale Form haben, wie bei 65 und 66 in 3 gezeigt. Ein derartiges Koppelelement würde genutzt werden, wenn jede Empfangsspule vier Schleifen enthält. Noch weitere Formen für das Koppelelement 32 sind in 3 bei 67 und 68 gezeigt.
Das Koppelelement 32 ist mechanisch verbunden zu der Drosselposition, so dass die Drehposition des Koppelelementes 32 proportional variiert mit dem Niederdrücken des Gaspedals. Folglich wird ein Herunterdrücken des Gaspedals das Koppelelement 32 rotieren lassen und die induzierte Spannung in den Schleifen 20–26 von beiden, der ersten Empfängerspule 16 und zweiten Empfängerspule 18, variieren.
Insbesondere wird die induzierte Spannung an dem Ausgang 28 von der ersten Empfängerspule 16 als eine Sinusfunktion variieren, wenn das Koppelelement 32 in eine Richtung im Uhrzeigersinn gedreht wird. Da hingegen die zweite Empfängerspule 18 effektiv um 90° gedreht, ist zu der ersten Empfängerspule 16, wird die induzierte Spannung an dem Ausgang 30 von der zweiten Empfängerspule 18 umgekehrt variieren als eine Cosinus-Funktion des Drehwinkels des Koppelelements.
Folglich ist es notwendig, um den Rotationswinkel des Koppelelementes und daraus die Position des Gaspedals zu erhalten, den Arkus-Tangens von beiden, den Sinus- und Kosinus-Funktionen der Ausgänge 28 und 30 von den ersten und zweiten Empfängerspulen 16 und 18 jeweils zu nehmen. Die Arkus-Tangensfunktion ist wie folgt gegeben:
Ein Hauptvorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass jegliche Ungenauigkeit der induzierten Spannung an entweder der ersten oder zweiten Empfängerspule 16 oder 18 hervorgerufen durch Variationen in dem Luftspalt zwischen den Spulen und dem Koppelelement, der Temperatur, der Feuchtigkeit und dergleichen, durch denselben Fehlerfaktor für beide, die Sinus-Funktion und die Kosinus-Funktion, skaliert werden. Folglich wird ein solcher Fehler, hervorgerufen durch Umgebungsbedingungen oder Herstellungstoleranzen automatisch ausgeglichen und aufgehoben.
Obwohl die vorliegende Erfindung beschrieben wurde anhand eines Drosselpositionssensors, der ein Paar an Empfängerspulen hat, jede hat vier Empfängerschleifen, kann die Empfängerspulen jede gerade Anzahl an Empfängerschleifen haben. Zum Beispiel sind jeweils eine erste Empfängerspule 50 und eine zweite 52 in 4A und 4 B dargestellt, jeweils 6 separate Schleifen habend.
Nach der Beschreibung unserer Erfindung ergeben sich viele Modifikationen dafür, die sich für den Fachmann auf dem Gebiet ohne Abweichung von dem Geist der Erfindung, der durch den Umfang der beigefügten Ansprüche definiert ist, sich ergeben.

Claims

Ein Drehpositionssensor aufweisend: eine Sendespule, die ausgelegt ist, durch eine Hochfrequenz-Stromquelle energetisiert zu werden, eine erste Empfängerspule benachbart zu der Sendespule und konzentrisch angeordnet um eine Achse, die erste Empfängerspule hat eine gerade Anzahl N an Schleifen, wobei benachbarte Schleifen der ersten Empfängerspule entgegengesetzt gewunden sind, eine zweite Empfängerspule benachbart zur Sendespule und konzentrisch angeordnet um die Achse, die zweite Empfängerspule hat Anzahl N an Schleifen, wobei benachbarte Schleifen der zweiten Empfängerspule entgegengesetzt gewunden sind, wobei die zweite Empfängerspule um 180/N Grad winklig versetzt zu der ersten Empfängerspule ist, ein nicht-kreisförmiger Koppler, konstruiert aus einem elektrisch leitenden Material, drehbar um die Achse, derart befestigt, dass er zumindest einen Teil der ersten und zweiten Empfängerspule überdeckt, ein Schaltkreis, welcher Ausgangssignale der ersten und zweiten Empfängerspule verarbeitet und ein Ausgangssignal erzeugt, welches repräsentativ zu der Drehposition des Kopplers ist.
Der Sensor nach Anspruch 1, wobei die Sendespule um die erste und zweite Empfängerspule konzentrisch gewunden ist.
Der Sensor nach Anspruch 1, wobei N definiert ist als gleich 4.
Der Sensor nach Anspruch 1, wobei N definiert ist als gleich 6.
Die Erfindung nach Anspruch 4, wobei der Koppler eine dreieckige Form hat.
Die Erfindung nach Anspruch 3, wobei der Koppler eine ovale Form hat.
Die Erfindung nach Anspruch 1, wobei der Schaltkreis den Arcus-Tangens aus dem Ausgangssignal von der ersten und der zweiten Empfängerspule berechnet.